Intelligent production control for time-constrained complex job shops

Im Zuge der zunehmenden Komplexität der Produktion wird der Wunsch nach einer intelligenten Steuerung der Abläufe in der Fertigung immer größer. Sogenannte Complex Job Shops bezeichnen dabei die komplexesten Produktionsumgebungen, die deshalb ein hohes Maß an Agilität in der Steuerung erfordern. Unter diesen Umgebungen sticht die besonders Halbleiterfertigung hervor, da sie alle Komplexitäten eines Complex Job-Shop vereint. Deshalb ist die operative Exzellenz der Schlüssel zum Erfolg in der Halbleiterindustrie. Diese Exzellenz hängt ganz entscheidend von einer intelligenten Produktionssteuerung ab. ... mehrEin Hauptproblem bei der Steuerung solcher Complex Job-Shops, in diesem Fall der Halbleiterfertigung, ist das Vorhandensein von Zeitbeschränkungen (sog. time-constraints), die die Transitionszeit von Produkten zwischen zwei, meist aufeinanderfolgenden, Prozessen begrenzen. Die Einhaltung dieser produktspezifischen Zeitvorgaben ist von größter Bedeutung, da Verstöße zum Verlust des betreffenden Produkts führen. Der Stand der Technik bei der Produktionssteuerung dieser Dispositionsentscheidungen, die auf die Einhaltung der Zeitvorgaben abzielen, basiert auf einer fehleranfälligen und für die Mitarbeiter belastenden manuellen Steuerung. In dieser Arbeit wird daher ein neuartiger, echtzeitdatenbasierter Ansatz zur intelligenten Steuerung der Produktionssteuerung für time-constrained Complex Job Shops vorgestellt. Unter Verwendung einer jederzeit aktuellen Replikation des realen Systems werden sowohl je ein uni-, multivariates Zeitreihenmodell als auch ein digitaler Zwilling genutzt, um Vorhersagen über die Verletzung dieser time-constraints zu erhalten. In einem zweiten Schritt wird auf der Grundlage der Erwartung von Zeitüberschreitungen die Produktionssteuerung abgeleitet und mit Echtzeitdaten anhand eines realen Halbleiterwerks implementiert. Der daraus resultierende Ansatz wird gemeinsam mit dem Stand der Technik validiert und zeigt signifikante Verbesserungen, da viele Verletzungen von time-constraints verhindert werden können. Zukünftig soll die intelligente Produktionssteuerung daher in weiteren Complex Job Shop-Umgebungen evaluiert und ausgerollt werden.

In wake of an ever increasing complexity the desire to move towards intelligently controlling operations is amplified in manufacturing. Complex job shops mark the most complex production environments that require a high degree of agility to control. Among these complex manufacturing environments semiconductor manufacturing stands out as it combines all complexities to form a truly complex job shop. Hence, operational excellence is the key to success and relies on intelligent production control. A major concern in controlling such complex job shops, in this case semiconductor wafer fabrication, is the presence of time-constraints that limit the transition time of products between two, mostly successive, processes. ... mehrAdhering to these product specific time-constraints is of utmost importance as violations result in scrapping the violating product. The state-of-the-art production control of these dispatching decisions that aim at adhering to time-constraints is based on error-prone manual control that is stressful for human operators. Thus, within this thesis a novel, real-time data based approach for intelligently controlling production control for time-constrained complex job shops is presented. Using an up-to-the-minute replica of the real system both uni-, multi-variate time series models and a digital twin are used to obtain violation predictions. As a second step, based on the time-constraint violation expectancy the production control is derived and implemented with a real-world semiconductor manufacturing plant real-time data. The resulting approach is, therefore, validated against the state-of-the-art showing significant improvements as many time-constraint violations could be prevented. In future, thus, intelligent production control should be evaluated and rolled out in more complex job shop settings.